Элиас Бурштейн (30 сентября 1917 г. – 17 июня 2017 г.) был американским физиком-экспериментатором в области конденсированного состояния , чья активная научная карьера охватывала семь десятилетий. [1] Он известен своими новаторскими фундаментальными исследованиями в области оптической физики твердых тел; написанием и редактированием сотен статей и других публикаций; объединением ученых со всего мира на международных встречах, конференциях и симпозиумах; а также обучением и наставничеством десятков молодых физиков. [2]
Бурштейн получил степень бакалавра по химии в Бруклинском колледже (1938) и степень магистра по химии в Университете Канзаса (1941). Он прошел аспирантуру по химии и физике в Массачусетском технологическом институте (1941–43) и по физике в Католическом университете (1946–48). Его докторские исследования были прерваны войной в 1945 году, когда он отправился работать в Военно-морскую исследовательскую лабораторию в Вашингтоне, округ Колумбия. Хотя он не получил степень доктора философии, он получил четыре почетных докторских степени (см. Honors).
Бурштейн был членом секции физики отделения кристаллов Военно-морской исследовательской лаборатории США (1945–58), позднее руководителем этого отделения (1948–1958), а затем руководителем отделения полупроводников (1958).
В 1958 году он был назначен профессором физики в Университете Пенсильвании , а в 1982 году он сменил Нобелевского лауреата Джона Роберта Шриффера на посту профессора физики имени Мэри Аманды Вуд. Он вышел на пенсию в качестве члена постоянного состава факультета в 1988 году, но продолжал свою деятельность в качестве почетного профессора имени Мэри Аманды Вуд.
Он занимал должности приглашенного профессора в Калифорнийском университете в Ирвайне (1967–68), Еврейском университете в Израиле (1974), Пармском университете в Италии (1974); был приглашенным профессором по случаю пятидесятилетия Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция (1981); и был приглашенным профессором-исследователем по программе Миллера на кафедре физики Калифорнийского университета в Беркли (1996).
Среди его многочисленных профессиональных ролей, он был членом Комитета по наукам о твердом теле Национального исследовательского совета Национальной академии наук (1971–80) и занимал должность его председателя (1976–78). Он был членом Комитета по искусству и науке Института Франклина с 1995 года.
За время своей карьеры Бурштейн подготовил более тридцати пяти аспирантов по физике, а также пять научных сотрудников, получивших докторскую степень. Он опубликовал более 200 статей и имеет два патента на инфракрасные фотодетекторы на основе кремния и германия с примесным легированием . [3] Он также инициировал и организовал множество международных конференций, объединяя физиков со всего мира для обмена результатами своих исследований и теоретических работ, а также для совещаний друг с другом.
Он был редактором-основателем Solid State Communications ( Pergamon Press ) и его главным редактором (1963–92). [4] В этом качестве он сыграл важную роль в установлении редакционной и издательской политики, включая предоставление каждому редактору в его Международном совете редакторов полного права принимать или отклонять статьи. Он был соредактором Comments on Condensed Matter Physics (Gordon and Breach) (1971–1981) и является редактором-основателем и соредактором вместе с Марвином Коэном, Дугласом Миллсом и Филиппом Дж. Стайлзом серии томов Contemporary Concepts of Condensed Matter Science , [5] опубликованных Elsevier .
Бурштейн вместе с Робертом Хьюзом с химического факультета и Робертом Мэдденом с металлургического факультета (оба из Пенсильванского университета) были основными авторами предложения о создании лаборатории фундаментальных исследований материалов в университете. Это привело к основанию Лаборатории исследований структуры вещества (LRSM) [6] в Пенсильванском университете в 1961 году.
Новаторские научные достижения Бурштейна оказали большое влияние на понимание фундаментальных оптических явлений, которые проявляются в конденсированном веществе . Его ранние работы с кристаллами со структурой алмаза и с кристаллами типа каменной соли и цинковой обманки в Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) прояснили их инфракрасные свойства, объяснив механизмы инфракрасного поглощения второго порядка длинноволновыми колебаниями решетки с точки зрения электрической и механической ангармоничности. [7] [8] Его фундаментальные исследования инфракрасной фотопроводимости , обусловленные фотоионизацией примесей в кремнии и германии при температуре жидкого гелия [9] [10], заложили основу для разработки инфракрасных детекторов на основе легированного примесями кремния и германия. [3] Статья 1954 года, которая стала его наиболее цитируемой публикацией [11], объяснила «аномальный сдвиг» края межзонного оптического поглощения InSb в сторону более высоких энергий, о котором сообщили исследователи из Bell Labs . [12] Сдвиг является результатом сохранения волнового вектора в оптических межзонных переходах, когда принцип исключения Паули запрещает переходы в занятые носителями состояния в зоне проводимости или валентной зоне . В более поздней работе в NRL Бурштейн и его коллеги использовали низкотемпературные спектры поглощения для изучения возбужденных состояний мелких примесей в кремнии и обнаружили отклонения от существующих теоретических моделей. [13] [14] В другой работе они исследовали межзонные магнитооптические переходы в полупроводниках , [15] [16] и сформулировали теорию явления в терминах межзонных переходов между подзонами Ландау. Они также сообщили о первом наблюдении циклотронного резонанса электронов в InSb при комнатной температуре на частотах в инфракрасном диапазоне, [17] и объяснили это квантово-механически как соответствующее внутризонным оптическим переходам между дискретными уровнями Ландау в пределах валентной зоны или зоны проводимости. [18]
В Университете Пенсильвании Бурштейн и его аспиранты продолжили новаторские исследования полупроводников, изоляторов, металлов и двумерной электронной плазмы в полупроводниках, внося вклад в понимание оптического поведения твердотельных материалов. Бурштейн был одним из первых, кто использовал лазеры для проведения фундаментальных исследований полупроводников и изоляторов, и он сыграл важную роль в определении механизмов, лежащих в основе явлений неупругого рассеяния света ( рамановского ) и условий их наблюдения. Он и его студенты наблюдали, что приложенное электрическое поле индуцировало обычно запрещенное инфракрасное поглощение длинноволновыми оптическими колебаниями решетки в кристаллах с алмазной структурой. [19] [20] [21] Это явление было приписано созданию осциллирующего электрического момента, который связывается с электромагнитным излучением. Дальнейшая работа привела к исследованию роли электрических полей поверхностного пространственного заряда и связанного с ними изгиба зон в индуцировании иначе запрещенного рамановского рассеяния продольными оптическими модами колебаний в InSb. [22] [23] [24] Это явление было использовано в качестве спектроскопического зонда изгиба зон на поверхностях PbTe и SnSe и для определения зависимости изгиба зон от ориентации поверхности. [25] [26]
Бурштейн и его коллеги также дали теоретическую формулировку комбинационного рассеяния поверхностными поляритонами на интерфейсах на поверхностях полупроводников, которая определила условия для наблюдения этого явления и объяснила, почему обратное рассеяние никогда не наблюдалось; поперечное сечение для обратного рассеяния на порядки меньше, чем для прямого рассеяния. [27] Они измерили комбинационное рассеяние «мягкими» оптическими фононами в BaTiO 3 и использовали измерение прямого комбинационного рассеяния оптическими поляритонами колебаний решетки для определения его низкочастотной диэлектрической проницаемости [28] в том, что было названо первым практическим применением поляритонов. [2] Они также сформулировали два основных механизма поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния («SERS») молекулами, адсорбированными на металлических поверхностях: усиление падающих и рассеянных электромагнитных полей шероховатостью поверхности и возникновение межмолекулярного адсорбированного резонанса переноса заряда молекула-металлический субстрат. [29] [30] Неупругое рассеяние света возбуждениями отдельных частиц на поверхности GaAs было успешно обнаружено с использованием частот лазера вблизи энергетической щели E0 + Δ0 n -GaAs. [31] Бурштейн и его коллеги указали, что сечение рассеяния света возбуждениями отдельных частиц в инверсионных слоях и квантовых ямах (т. е. двумерных электронных системах) полярных полупроводников сильно увеличивается для частот падающего лазера в энергетических щелях, где прямые оптические межзонные переходы включают занятые носителями состояния либо в зоне проводимости, либо в валентной зоне. [32] [33] [34] Это понимание и дальнейшая работа привели к формулировке ими механизмов, лежащих в основе неупругого рассеяния света носителями заряда в двумерной плазме, а также особой природы связанных мод возбуждения LO-фононов-межподзон полярных полупроводников. Бурштейн и его аспиранты провели теоретические и экспериментальные исследования нелинейного оптического отклика поверхностей благородных металлов (трехволновое смешение и генерация второй гармоники), интерпретируя резонансное трехволновое смешение с точки зрения трехступенчатых электронных процессов, включающих внутренние поверхностные состояния и модифицированные поверхностью состояния континуума. [35]
В более поздней части своей карьеры Бурштейн и его коллеги обнаружили, что молекулы фуллерена C 60 («бакиболы») в непосредственной близости от гладкой металлической поверхности демонстрируют обычно запрещенные режимы люминесценции – синглетную экситонную флуоресценцию и триплетную экситонную фосфоресценцию . Металлоиндуцированная флуоресценция была приписана понижению симметрии молекул. Металлоиндуцированная фосфоресценция была приписана смешиванию синглетных и триплетных экситонных состояний молекул спин-орбитальным взаимодействием молекул с атомами металла и смешиванию синглетных и триплетных состояний виртуальными прыжками электронов между возбужденными молекулами и металлом, оба новых механизма включения фосфоресценции молекул. [36] [37]
Бурштейн получил ряд наград, в том числе:
Бурштейн родился 30 сентября 1917 года в Бруклине, Нью-Йорк, в семье еврейских родителей, родившихся в России, Сэмюэля Бурштейна (1890-1950) и Сары Плоткин (1896-1985). Он женился на Рене Рут Бенсон 19 сентября 1943 года. Он отец трех дочерей (Джоанна, Сандра и Мириам) и имеет двух внуков.
Бурштейн умер 17 июня 2017 года в Брин-Море , штат Пенсильвания , в возрасте 99 лет. [48]